微电子概论--封装与测试

第五章集成电路的封装与测试组装工艺的基本流程硅片的测试和挑选做好的硅片经过测试，（测试的方式，上节课已经讲过），将不合格的芯片打上墨点，做好记号，后面划片的时候可以直接进行挑选！背面减薄方法名称要求特点研磨法把硅片正面粘在磨盘上，用金刚砂研磨减薄背面减薄一致性好效率高，适于大生产磨削法用砂轮磨削一致性好，效率稍低化学腐蚀法正面用树脂、石蜡或塑料薄膜保护，用酸腐蚀背面设备简单，效率低划片目的把经过前部工序加工的圆片，用划片机切割成单个芯片，然后用分片机把这些芯片分离开，经镜检后转入芯片装架工序。方法背面贴膜——切割——裂片——分片——镜检分类金刚砂轮或激光切割至芯片厚度的90~100%“蓝”膜受热膨胀拉伸将各芯片裂开（绷片）装架/贴片目的也称为装片与烧结，将芯片粘贴固定在金属基座或引线框架上。要求1）导热和导电性能好；2）装配定位准确，能满足自动键合的需要3）芯片和管壳底座连接的机械强度高，可靠性高，能承受键合和封装时的高温和机械震动方法1）环树脂粘贴常用环氧、聚酰亚胺、酚醛以及有机树脂作粘贴剂。加金、银粉—导电胶；加氧化铝—绝缘胶。应用：环氧树脂粘贴牢固，有良好的传热和散热功能，广泛用于IC芯片的粘贴，尤其是MOS电路。合金烧结一般分离的二极管、晶体管等要以衬底作为一个引出电极，这就要求芯片和金属基座之间形成一层低电阻的导通焊接层；在粘贴之前，要做一次背面欧姆接触的金属化处理。通常采用背面蒸金和化学镀镍的方法。烧结方法1）银浆烧结应用：小功率晶体管或者结深较浅的超高频或者微波小功率晶体管2）金锑合金应用：大功率晶体管，管芯与管座形成低阻欧姆接触，具有良好的导热性。烧结温度要高于金硅熔点377°C，3）铅锡合金应用：大功率晶体管，常用氢气连续烧结或抽真空烧结。其他烧结方法共晶焊接法电子束焊接法激光焊接法引线键合目的用金属导线将芯片表面的铝压焊点和底座或引线框架上的电极进行连接。常用的键合引线1）金丝：化学性能稳定，延展性强，抗拉强度高，可塑性好，容易加工成细丝。但与铝键合产生“紫斑”，一般采用“金-金结合”2）铝（硅）丝：成本低，与铝压点键合兼容性好；机械强度不如金丝。3）铜丝：电阻率低，抗电迁移，硬度高，可塑性不好，易氧化。键合方法热压键合加热+加压方法：楔焊、针焊、球焊简单，成本低；但需要对硅片加（330~350℃），键合强度不高超声波键合机械振动摩擦＋压力无需对衬底加热；键合牢固；可调节超声波的频率和压力来适用不同粗细、材质的引线。TAB与FCBTAB，（TapeAutomationBonding）载带自动焊，也称为带式自动键合，是一种将IC安装和互连到柔性金属化聚合物载带上的IC组装技术。载带内引线键合到IC上，外引线键合到常规封装或印刷线路板PWB上，整个过程均自动完成。FCB，（FlipChipBonding）倒装芯片键合是将芯片有源区面对基板进行键合。FCB的基本点是在芯片和基板上分别制备焊盘，然后面对面键合。键合材料可以是金属引线或TAB，也可以是合金焊料或有机导电聚合物制成的凸焊点。它可以利用芯片上所有面积来获得I/O端，硅片利用效率得到极大提高。封装目的1）器件的保护，保证其能正常工作；2）物理支撑，便于与其他的电路进行更高级的装配；3）影响器件的某些功能：频率、功率等。封装的层次封装的材料1）金属封装散热性能好，抗机械损伤强，电磁屏蔽效果好，但成本高，笨重。分立器件；微波器件；小规模集成电路。2）塑料封装质量轻，成本低；适于模铸，可塑性强，自动化机械化水平高。目前集成电路最普遍的封装材料3）陶瓷封装优点：耐高温，致密好，密封性好，电气性能好，适合高密度型封装应用：大功率器件；高性能、高密度的集成电路。4）玻璃封装小功率锗二极管大多采用玻璃封装，现在少用。但是可以与塑料封装一起结合，既可以实现封装的高温定型、可靠性，又可降低成本。封装的形式和类型分立器件TO系列集成电路双列直插型DIP带引线芯片载体PLCCCLCC四侧引脚扁平封装QFP阵列引脚PGA球栅阵列BGA封装的发展进程结构方面是TO→DIP→LCC→QFP→BGA→CSP；材料方面是金属、陶瓷→陶瓷、塑料→塑料；引脚形状是长引线直插→短引线或无引线贴装→球状凸点；装配方式是通孔插装→表面贴装（SMT）→直接安装在70年代流行的是双列直插封装，DIP（DualIn－linePackage）是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片。绝大多数中小规模集成电路均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100个。是Intel8位和16位处理芯片采用的封装方式，缓存芯片、BIOS芯片和早期的内存芯片也使用这种封装形式。它的引脚从两端引出，需要插入到专用的DIP芯片插座上。DIP特点1、适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接，操作方便。2、芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。Intel系列CPU中8088就采用这种封装形式，缓存(Cache)和早期的内存芯片也是这种封装形式。80年代出现了芯片载体封装，这些载体的封装形式包括：无线陶瓷芯片载体LCCC（LeadlessCeramicChipCarrier）、塑料四边引出扁平封装PQFP（PlasticQuadFlatPackage）、小尺寸封装SOP（SmallOutlinePackage）、塑料有线芯片载体PLCC（PlasticLeadedChipCarrier）。芯片载体封装QFP/PFPQFP，（QuadFlatPackage）方形扁平封装的封装形式最为普遍。其芯片引脚之间距离很小，引脚很细，很多大规模或超大集成电路都采用这种封装形式，引脚数量一般都在100个以上。Intel系列CPU中80286、80386和某些486主板芯片采用这种封装形式。PFP（PlasticFlatPackage）方式封装的芯片与QFP方式基本相同。唯一的区别是QFP一般为正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是长方形。特点1）适用于SMD表面封装技术在PCB电路板上封装布线。2）适合高频使用。3）操作方便，可靠性高。4）芯片面积与封装面积之间的比值较小。Intel系列CPU中80286、80386和某些486主板采用这种封装形式。PQFP表面安装技术SurfaceMountingTechnology，(简称SMT)它是将电子元器件直接安装在印制电路板的表面，它的主要特征是元器件是无引线或短引线，元器件主体与焊点均处在印制电路板的同一侧面。特点1）减少了印制板面积(可节省面积60—70%)2）减轻了重量(可减轻重量70—80%)；3）安装容易实现自动化；4）由于采用了膏状焊料的焊接技术，提高了产品的焊接质量和可靠性；5）减小了寄生电容和寄生电感。PGAPGA（PinGridArrayPackage）芯片封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少，以芯片为中心在四周围成2-5圈引脚。安装时，将芯片插入专用的PGA插座。为使CPU能够更方便地安装和拆卸，从486芯片开始，出现了一种ZIF的CPU插座，专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。ZIF(ZeroInsertionForceSocket)是指零插拔力的插座。把这种插座上的扳手轻轻抬起，CPU就可很容易、轻松地插入插座中。然后将扳手压回原处，利用插座本身的特殊结构生成的挤压力，将CPU的引脚与插座牢牢地接触，绝对不存在接触不良的问题。而拆卸CPU芯片只需将插座的扳手轻轻抬起，则压力解除，CPU芯片即可轻松取出。PGA封装具有以下特点：1.插拔操作更方便，可靠性高。2.可适应更高的频率。BGABGA封装出现于90年代初期，它是在封装体基板的底部制作阵列焊球作为电路的I／O端与印刷线路板(PCB)互接。它算是第三代面矩阵式（AreaArray）IC封装技术。它在晶粒底部以阵列的方式布置许多锡球，用这些锡球代替传统的导线架，每个锡球就是一个引脚，锡球规则的排列在芯片底部，就形成了这种独特的封装结构。特点1）I／O数较多。BGA封装器件的I／O数主要由封装体的尺寸和焊球节距决定。2）提高了贴装成品率，潜在地降低了成本。3）BGA的阵列焊球与基板的接触面大、短，有利于散热。4）BGA阵列焊球的引脚很短，缩短了信号的传输路径，减小了引线电感、电阻，因而可改善电路的性能。5）明显地改善了I／O端的共面性，极大地减小了组装过程中因共面性差而引起的损耗。6）BGA适用于MCM封装，能够实现MCM的高密度、高性能。7）BGA和～BGA都比细节距的脚形封装的IC牢固可靠。应用到目前为止该技术仅限于高密度、高性能器件的封装，而且该技术仍朝着细节距、高I／O端数方向发展。BGA封装技术主要适用于PC芯片组、微处理器／控制器、ASIC、门阵、存储器、DSP、PDA、PLD等器件的封装。多芯片模块组装MCMCSP1994年9月，日本三菱电气公司研究出一种芯片面积/封装面积＝1:1.1的封装结构，其封装外形尺寸只比裸芯片大一点点。CSP(ChipSizePackage)芯片尺寸封装。它定义为封装后尺寸不超过原芯片的1.2倍或封装后面积不超过裸片面积的1.5倍。它减小了芯片封装外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，封装尺寸就有多大。优点1）近似芯片尺寸的超小型封装2）可容纳引脚的数最多，便于焊接、安装和修整更换3）电、热性能优良4）测试、筛选、老化操作容易实现5）散热性能优良6）封装内无需填料7）制造工艺、设备的兼容性好多芯片模块MCM是一种由两个或两个以上裸芯片或者芯片尺寸封装(CSP)的IC组装在一个基板上的模块，模块组成一个电子系统或子系统。基板可以是PSB、厚／薄膜陶瓷或带有互连图形的硅片。整个MCM可以封装在基板上，基板也可以封装在封装体内。MCM封装可以是一个包含了电子功能便于安装在电路板上的标准化的封装，也可以就是一个具备电子功能的模块。它们都可直接安装到电子系统中去（PC，仪器，机械设备等等）。特点：1）尺寸小2）技术集成3）数据速度和信号质量好4）可靠性高／使用环境不受限制5）成本较高ＷＬＰＷＬＰ,圆片级封装是指将CSP的焊料凸点直接做在硅圆片的各个芯片上，然后再切割成独立的可以直接倒装焊的IC芯片。它是以圆片为加工对象，封装的全过程都在圆片生产厂内运用芯片的制造设备完成，使芯片的封装、老化、测试完全融合在圆片生产流程之中。封装好的圆片经切割所得到的单个IC芯片，可直接贴装到基板或印制电路板上。它可以将封装尺寸减小至IC芯片的尺寸，生产成本大幅度下降，并且把封装与芯片的制造融为一体，将彻底改变芯片制造业与芯片封装业分离的局面。圆片级封装技术是真正意义上的批量生产芯片封装技术，它具有如下特点：1）是以批量生产工艺进行制造的；2）圆片级封装生产设施的费用低，因为它充分利用了圆片的制造设备，无须投资另建封装生产线；3）圆片级封装的芯片设计和封装设计可以统一考虑、同时进行，这将提高设计效率，减少设计费用；4）圆片级封装中间环节大大减少，周期缩短很多，这必将导致成本的降低。此外，应注意圆片级封装的成本与每个圆片上的芯片数量密切相关。圆片上的芯片数越多，圆片级封装的成本也越低。圆片级封装主要采用薄膜再分布技术、凸点技术等两大基础技术。应用：采用圆片级封装技术的IC器件相当广泛，包括闪速存储器、EEPROM、高速DRAM、SRAM、LCD驱动器、射频器件、逻辑器件、电源／电池管理器件和模拟器件(稳压器、温度传感器、控制器、运算放大器、功率放大器等)。此外，集成无源元件也在采用圆片级封装技术。据报道，Ericsson公司的蓝牙耳机中使用了多个圆片级封装的集成无源元件。ＳＯＰSOP，（SmallOutlinePackage）小外形封装。SOP封装技术由1968～1969年菲利浦公司开发成功，以后逐渐派生出SOJ（J型引脚小外形封装）、TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、SSOP（缩小型SOP）、TSSO